类石墨碳量子点/TiO2的光诱导载流子迁移过程研究

Recently, quantum dot-sensitized solar cells (QDSSCs) have attracted much attention for their super properties. However, the inherent toxicity limited their further application because quantum dots generally used are virulent II-VI and III-V semiconductors, such as CdS、PbS、Ag2S、CdHgTe et al. Due to their environmental-friendly nature, good absorption and photo-stability, carbon quantum dots (CQDs) have good potentials in the QDSSCs. Considering the great importance of electron-transfer occurring in the interface, we choose TiO2 as the electron transporting materials and graphitized CQDs as photo-harvesting materials to construct the CQDs/TiO2 heterojunction, investigate the kinetics of interfacial electron-transfer and then explore the potential of CQDs in the QDSSCs. With the help of time-resolved spectroscopic method and high sensitive measurements of interfacial structure, the correlation between the interfacial structure of CQDs/TiO2 heterojunction (for example linking groups, space distance, energy level and the crystal face) and the kinetics of interfacial electron-transfer will be investigated in detail. On the basis of these, we could clear the key factors influencing the rate and efficiency of interfacial electron-transfer and confirm the possible means to improve the interfacial electron-transfer. All these fruits could lay a solid foundation for the construction of CQD-sensitized solar cells with good performance. On the other hand, these could also direct the structural design of CQDs-based multifunctional materials.

光电转换领域的明星- - 量子点敏化太阳电池(QDSSCs)，使用的均是II-VI族和III-V族的剧毒量子点如CdS、PbS、Ag2S、CdHgTe等。巨大的环境隐患为其发展蒙上阴影。碳量子点具有吸光能力强、环境友好和光稳定好的优点。为探索碳量子点在QDSSCs中的潜力，选择TiO2作为电子传输体，类石墨碳量子点作为光子捕获模型，开展碳量子点/TiO2异质结的构建、界面结构调控及其光诱导电子转移动力学过程研究。特别使用时间分辨光谱，结合界面结构高灵敏度探测，实现碳量子点/TiO2异质结界面结构变化尤其是异质结联结方式、空间距离、相对能级以及TiO2晶面特征等对其光诱导界面电子转移动力学过程的研究，确定影响界面电子转移速度和效率的关键，获得实现界面电子高效迁移的可行途径。项目的开展1）为高性能碳QDSSCs的构建和性能提升提供理论指引和技术支持；2）为碳量子点多功能材料的结构设计提供帮助。

光电转换领域的明星- - 量子点敏化太阳电池(QDSSCs)，使用的均是II-VI 族和III-V 族的剧毒量子点如CdS、PbS、Ag2S、CdHgTe 等。巨大的环境隐患为其发展蒙上阴影。碳量子点具有吸光能力强、环境友好和光稳定好的优点。为探索碳量子点在QDSSCs 中的应用潜力，申请者及其研究团队选择TiO2 作为电子传输体，类石墨碳量子点作为光子捕获模型，重点开展了高亮度类石墨碳量子点的合成、碳量子点/TiO2、碳量子点/SiO2和碳量子点/Si（Ti）O2/金属等的复合结构构建及其光物理、光化学性能的研究。（1）发展了有机小分子的硫酸碳化合成法，通过反应参数的优化，实现了发光位置分别在400、460和520nm,发光位置不随激发波长变化的类石墨碳量子点的选择性合成；（2）建立了CSi微波辅助的碳量子点表面钝化技术，实现了碳量子点表面的官能团选择性反应和分子链长不同分子的连接,为碳量子点的表面功能化提供了可行的途径。（3）发展了自上而下和自下而上两种来实现碳量子点/ TiO2，碳量子点/ TiO2复合结构的构建，使复合结构的光吸收范围从紫外延伸至可见甚至近红外区，并提高了其光活性；（4）开展了碳/半导体以及碳量子点/半导体/金属复合结构的构建和光谱性能研究。研究发现，与有机分子的柔性连接不同，SiOx介电层或碳-Si-O-Ti界面结构的存在可有效阻碍二者间的界面电子迁移过程。据此，设计了碳量子点/半导体/金属复合结构，通过极少量金属纳米粒子的选择性沉积实现了碳量子点杂化介孔SiO2微球的荧光增强，为高亮度介孔SiO2微球的结构设计和合成提供了新的思路。. 在上述工作的基础上发表SCI收录的研究论文论文4篇（SCI收录的4篇），接受2篇，另有数篇论文正在制作，获得授权专利一项，培养研究生1名。